1、第四章第四章 两级压缩两级压缩和复叠式制冷循环和复叠式制冷循环掌握采用两级压缩制冷循环的原因及其基本流程掌握采用两级压缩制冷循环的原因及其基本流程 了解复叠式制冷循环的组成及特点了解复叠式制冷循环的组成及特点 掌握常用两级压缩制冷循环的形式及其特性分析掌握常用两级压缩制冷循环的形式及其特性分析 目的、要求目的、要求 4.1 概述 蒸汽压缩制冷循环的冷凝温度蒸汽压缩制冷循环的冷凝温度与蒸发温度决定相应的冷凝压力和与蒸发温度决定相应的冷凝压力和蒸发压力。冷凝温度受环境介质的蒸发压力。冷凝温度受环境介质的温度限制，蒸发温度由制冷装置的温度限制，蒸发温度由制冷装置的用途决定。用途决定。压缩机的压力差超
2、过允许值，导致机件损坏；压缩机的压力差超过允许值，导致机件损坏；压力比过大，排气温度升高，导致润滑油稀化，增加润压力比过大，排气温度升高，导致润滑油稀化，增加润 滑油的消耗；导致润滑油的碳化，引起润滑不良；滑油的消耗；导致润滑油的碳化，引起润滑不良；压力比过大，导致容积效率压力比过大，导致容积效率V V和制冷量和制冷量 0 0大大降低。大大降低。下表列出常用制冷下表列出常用制冷剂在剂在P Pk k/P/P0 0=10=10时的最低蒸发温度：时的最低蒸发温度：当压力差（当压力差（P Pk k-P-P0 0）12121414和压力比和压力比P Pk k/P/P0 08 8 1010时，时，单级压缩
3、机会发生：单级压缩机会发生：制冷剂制冷剂 冷凝温度（冷凝温度（C）30 35 40 45 50 R717 -30.5 -27.3 -24.4 R22 -37.2 -34.2 -31.5 R12 -36.8 -33.8 -31.1 -28.3 -25.4规定：单级压缩氨制冷剂的压比规定：单级压缩氨制冷剂的压比=P=Pk k/P/P0 088；氟利昂的压比氟利昂的压比=P=Pk k/P/P0 010.10.方法：为达到较低的蒸发温度方法：为达到较低的蒸发温度,采用两级或多采用两级或多级压缩制冷级压缩制冷循环循环。4.2 两级压缩制冷循环2 2）分类：中间完全冷却方式，冷却到饱和蒸汽状态）分类：中间
4、完全冷却方式，冷却到饱和蒸汽状态;中间不完全冷却方式，未冷却到饱和蒸汽状态中间不完全冷却方式，未冷却到饱和蒸汽状态.一级节流，一级节流，P Pk kPP0 0两级节流，两级节流，P Pk kPPm mPP0 01 1）循环流程：）循环流程：蒸发器的制冷剂蒸汽蒸发器的制冷剂蒸汽P P0 0低压级压缩机低压级压缩机P Pm m中间中间冷却器冷却器高压级压缩机高压级压缩机P Pk k冷凝器冷凝器P Pk k双级压缩制冷循环仅压缩过程为两级压缩，其他与单级相同：双级压缩制冷循环仅压缩过程为两级压缩，其他与单级相同：低温低低温低压制冷压制冷剂蒸气剂蒸气中间压中间压力下过力下过热蒸气热蒸气低压级低压级 过
5、热蒸气过热蒸气被冷却被冷却中间冷却器中间冷却器冷凝压冷凝压力下过力下过热蒸气热蒸气高压级高压级 单机双级系统：单机双级系统：气缸数比常为气缸数比常为1:3or1:21:3or1:2双级制冷双级制冷系统组成系统组成双机双级系统双机双级系统两台压缩机两台压缩机一台压缩机，一台压缩机，高、低压气缸高、低压气缸中间冷中间冷却程度却程度中间完全中间完全冷却冷却中间不完中间不完全冷却全冷却低压级排气在中间冷却器中被冷却到中低压级排气在中间冷却器中被冷却到中间压力下的饱和温度。用于氨系统间压力下的饱和温度。用于氨系统低压级排气与中间冷却器中蒸发的蒸气相低压级排气与中间冷却器中蒸发的蒸气相混合，被冷却到某一过
6、热点。用于氟利昂混合，被冷却到某一过热点。用于氟利昂系统系统4.2.1 4.2.1 一级节流，中间完全冷却一级节流，中间完全冷却 两级压缩制冷循环两级压缩制冷循环 在蒸发器中产生的低压低温制冷剂蒸气（状态在蒸发器中产生的低压低温制冷剂蒸气（状态），被低压压缩机吸入并压缩成中间压力的过热），被低压压缩机吸入并压缩成中间压力的过热蒸气（状态），然后进入同一压力的中间冷却器，蒸气（状态），然后进入同一压力的中间冷却器，在中冷器内被冷却成干饱和蒸气（状态）。中压在中冷器内被冷却成干饱和蒸气（状态）。中压干饱和蒸气又被高压压缩机吸入并压缩到冷凝压力干饱和蒸气又被高压压缩机吸入并压缩到冷凝压力的过热蒸气（
7、状态），随后进入冷凝器被冷凝成的过热蒸气（状态），随后进入冷凝器被冷凝成制冷剂液体（状态）。然后分成两路，一路经膨制冷剂液体（状态）。然后分成两路，一路经膨胀阀节流降压后（状态）进入中间冷却器，大胀阀节流降压后（状态）进入中间冷却器，大部分液体从另一路进入中间冷却器的盘管内过冷部分液体从另一路进入中间冷却器的盘管内过冷（状态），成为过冷液体，进入第二个节流阀节（状态），成为过冷液体，进入第二个节流阀节流后进入蒸发器流后进入蒸发器。循环过程循环过程 热力计算热力计算 有关计算公式：有关计算公式：单位制冷量单位制冷量 q q0 0，理论比功理论比功 0 0，质量流量质量流量 q qm m=Q=Q0
8、 0/q/q0 0，轴功率轴功率P Pe e=q=qm m0 0/k k，实际输气量：实际输气量：qvqvs s=q=qm m v v1 1，理论输气量理论输气量 qvqvh h=qvqvs s/，理论制冷系数理论制冷系数0 0=Q Q0 0/(P(PD D+P+P G G)热力计算热力计算实际制冷系数实际制冷系数S S=0 0/(P(P D D/kDkD+P +P G G/kGkG)中间冷却器：中间冷却器：低压级排气放热量低压级排气放热量+液体过冷放热量液体过冷放热量 =节流后的低压液体吸热量节流后的低压液体吸热量单位制冷量：单位制冷量：q q0 0=h=h1 1hh8 8=h=h1 1hh
9、7 7低压级压缩机的理论比功：低压级压缩机的理论比功：0D0D=h=h2 2-h-h1 1低压级压缩机的质量流量：低压级压缩机的质量流量：q qmDmD=Q=Q0 0/q/q0 0=Q=Q0 0/(h/(h1 1hh7 7)低压级压缩机的轴功率：低压级压缩机的轴功率：P PeDeD=q=qmDmD0D0D/kDkD=Q=Q0 0(h(h2 2-h-h1 1)/(h)/(h1 1hh7 7)kDkD低压级压缩机的实际输气量：低压级压缩机的实际输气量：qvqvsDsD=q=qmDmDv v1 1=Q=Q0 0v v1 1/(h/(h1 1hh7 7)低压级压缩机的理论输气量：低压级压缩机的理论输气
10、量：qvqvhDhD=qv=qvsDsD/D D=Q=Q0 0v v1 1/(h/(h1 1hh7 7)D D热力计算热力计算高压级压缩机的理论比功：高压级压缩机的理论比功：0G0G=h=h4 4 h h3 3中间冷却器的热平衡关系：中间冷却器的热平衡关系：q qm mh h2 2+q+qmDmD(h(h5 5hh7 7)+(q)+(qmGmGqqmDmD)h)h5 5=q=qmGmGh h3 3高压级压缩机的制冷剂流量高压级压缩机的制冷剂流量:q qmGmG=(h=(h2 2hh7 7)Q)Q0 0/(h/(h5 5hh5 5)(h)(h1 1hh7 7)高压级压缩机的轴功率：高压级压缩机的
11、轴功率：P PeGeG=q=qmGmG0G0G/kGkG=Q=Q0 0(h(h2 2hh7 7)(h)(h4 4hh3 3)/(h)/(h1 1hh7 7)(h(h3 3hh5 5)k kG G热力计算热力计算热力计算低压级压缩机的实际输气量：低压级压缩机的实际输气量：qvqvsGsG=q=qmGmGv v3 3=Q=Q0 0(h(h2 2hh7 7)v)v3 3/(h/(h1 1hh7 7)(h)(h3 3hh5 5)低压级压缩机的理论输气量：低压级压缩机的理论输气量：qvqvhGhG=qv=qvsGsG/G G=Q=Q0 0(h(h2 2hh7 7)v)v3 3/(h/(h1 1hh7 7
12、)(h)(h3 3hh5 5)G G理论循环制冷系数：理论循环制冷系数：0 0=Q=Q0 0/(q/(qmDmD+q+qmGmG0G0G)实际循环制冷系数：实际循环制冷系数：0 0=Q=Q0 0/(q/(qmDmD0D0D/kDkD+q+qmGmG0G0G/kGkG)热力计算冷凝器热负荷：冷凝器热负荷：Q Qk k=q=qmGmG(h(h4 4hh5 5)h)h4s4s=h=h3 3(h(h4 4hh3 3)iGiG制冷量：制冷量：Q Q0 0=qv=qvhDhDD D(h(h1 1hh7 7)(h)(h1 1hh7 7)/v)/v1 1双级压缩氨制冷系统双级压缩氨制冷系统 一次节流中间完全冷
13、却双级压缩氨制冷系统图MGM1MDMD4.2.2 一级节流，中间不完全冷却两级压缩制冷循环4.2.2 一级节流，中间不完全冷却两级压缩制冷循环工作过程：工作过程：从蒸发器出来的蒸汽经回热器后被低压压缩机从蒸发器出来的蒸汽经回热器后被低压压缩机吸入，压缩到中间压力并与中冷器出来的干饱和蒸吸入，压缩到中间压力并与中冷器出来的干饱和蒸汽在管路中进行混合，使从低压机排出的过热蒸汽汽在管路中进行混合，使从低压机排出的过热蒸汽被冷却后再进入高压压缩机，经压缩到冷凝压力并被冷却后再进入高压压缩机，经压缩到冷凝压力并进入冷凝器，冷凝后的高压制冷剂液体进入了中冷进入冷凝器，冷凝后的高压制冷剂液体进入了中冷器的蛇
14、形盘管进行再冷却，然后进入回热器与从蒸器的蛇形盘管进行再冷却，然后进入回热器与从蒸发器出来的低温低压蒸汽进行热交换，使从中冷器发器出来的低温低压蒸汽进行热交换，使从中冷器蛇形盘管中出来的过冷液体再一次得到冷却，最后蛇形盘管中出来的过冷液体再一次得到冷却，最后经膨胀阀进入蒸发器吸热蒸发。经膨胀阀进入蒸发器吸热蒸发。循环过程循环过程 热力计算热力计算 中间冷却器的热平衡关系：中间冷却器的热平衡关系：液体过冷放热量液体过冷放热量=节流后的低压液体吸热量节流后的低压液体吸热量 q qmGmG=q qmDmD(h(h3 3hh8 8)/(h)/(h3 3hh6 6)3 3与与4 4混合的热平衡关系：混合
15、的热平衡关系：两股气体的焓两股气体的焓=混合后气体的焓混合后气体的焓h h4 4=h=h3 3+(h+(h3 3hh6 6)(h)(h2 2hh3 3)/(h)/(h3 3hh8 8)二级节流中间完全冷却制冷循环二级节流中间完全冷却制冷循环二级节流中间不完全冷却制冷循环第三节第三节 两级压缩制冷机的热力计算和两级压缩制冷机的热力计算和温度变动时的特性温度变动时的特性4.3.1 4.3.1 两级压缩制冷机的热力计算两级压缩制冷机的热力计算步骤：确定制冷剂和循环型式，确定循环的步骤：确定制冷剂和循环型式，确定循环的工作工作参参数，性能参数计算。数，性能参数计算。制冷剂：中温制冷剂。如制冷剂：中温制
16、冷剂。如R717R717，R22R22，R290R290循环型式循环型式:回热有利的用回热有利的用中间不完全冷却方式中间不完全冷却方式，如，如 R290;R290;回热不利的用回热不利的用中间完全冷却方式中间完全冷却方式，如，如R717R717，R22.R22.若若t t0 0低可用回热器提高低可用回热器提高t t1 1循环参数：循环参数：t t0 0 和和t tk k由制冷装置的用途和环境介质的由制冷装置的用途和环境介质的温度确定。温度确定。4.3.2 4.3.2 中间压力的确定中间压力的确定 1 1）压缩机已确定时）压缩机已确定时理论输气比理论输气比=qv=qvhGhG /qv/qvsDs
17、D=定值定值作图法：作图法：选若干选若干t t为中间温度，分别进行热力计算，为中间温度，分别进行热力计算，得相应的得相应的。作作=f(t=f(tm m)曲线，得到已知的曲线，得到已知的对应的对应的t tm m。4.3.24.3.2中间压力的确定中间压力的确定2 2）未确定压缩机时）未确定压缩机时,按制冷系数最大原则确定按制冷系数最大原则确定;选若干选若干t t为中间温度，分别进行热力计算，得相为中间温度，分别进行热力计算，得相应的应的0 0 作作0 0=f(t=f(tm m)曲线，得曲线，得0 max0 max对应的对应的t tm m0mkPP P作图法3 3）对于氨制冷剂的双级系统）对于氨制
18、冷剂的双级系统 用拉塞公式确定最佳中间温度：用拉塞公式确定最佳中间温度：t tm m=0.4t=0.4tk k+0.6t+0.6t0 0+3+3 式中，tm m,tk k和to o分别表示中间温度，冷凝温度和蒸发温度。上式不只适用于氨，在4040温度范围内，对于R12也能得到满意的结果。例例4-2 4-2 按制冷系数最大原则确定中间温度；按制冷系数最大原则确定中间温度；例例4-3 4-3 作图法确定中间温度。作图法确定中间温度。根据我国冷藏库的生产实践，当蒸发温根据我国冷藏库的生产实践，当蒸发温度度t t0 0=-28=-28-40-40范围内时，容积比范围内时，容积比 通常取通常取0.330
19、.330.50.5之间，即之间，即q qv vhGhG:q qv vsDsD=1:3=1:31:21:2。在。在长江以南地区宜取大些。长江以南地区宜取大些。合理容积比的选择还应结合考虑其他合理容积比的选择还应结合考虑其他经济指标。配组双级压缩机的容积比可以经济指标。配组双级压缩机的容积比可以有较大的选择余地。如果采用单机双级压有较大的选择余地。如果采用单机双级压缩机，则它的容积比是既定的，容积比缩机，则它的容积比是既定的，容积比 的的值通常只有值通常只有0.330.33和和0.50.5两种。两种。4.3.3 4.3.3 温度变动时制冷机的特性温度变动时制冷机的特性1.1.变工况特性变工况特性（
20、1 1）蒸发温度的变化对中间压力的影响：）蒸发温度的变化对中间压力的影响：随着随着t t0 0的升高，压力的升高，压力p pk k和和p pm m都不断升高，都不断升高，但但p pk k升高得快；升高得快；随着随着t t0 0的升高，压力比的升高，压力比D D和和G G都不断都不断下降，但下降，但G G下降快；下降快；随着随着t t0 0的升高，压力差（的升高，压力差（p pk k-p-pm m）减小，）减小，（p pm m-p-p0 0）先逐渐增大而后逐渐减小。）先逐渐增大而后逐渐减小。4.3.3 4.3.3 温度变动时制冷机的特性温度变动时制冷机的特性 t tk k、不变，不变，t t0
21、0变化变化 t t0 0 v v1 1，q q0 0 ，Q Q0 0，0 0 P Pk k/P/Pm m33，P PeGeG最大，按其值选高压级压缩机最大，按其值选高压级压缩机电机，低压级压缩机电机按运行工况选配。电机，低压级压缩机电机按运行工况选配。4.3 4.3 复叠式制冷机循环复叠式制冷机循环 4.3.1 4.3.1 复叠式制冷机循环系统复叠式制冷机循环系统1 1）单工质多级压缩循环的局限性）单工质多级压缩循环的局限性需要低温时需要低温时,t t0 0过低，造成的危害：过低，造成的危害：循环性能差。循环性能差。蒸发器压力低，易渗入空气。蒸发器压力低，易渗入空气。制冷剂凝固。制冷剂凝固。吸
22、气阀片因压差小无法开启。吸气阀片因压差小无法开启。若采用低温工质，若采用低温工质，冷凝压力过高。冷凝压力过高。超过临界点。超过临界点。2 2）解决方法解决方法 低温制冷剂在常温下无法冷凝成液体，因低温制冷剂在常温下无法冷凝成液体，因此采用另一台制冷装置与之联合运行，为低温此采用另一台制冷装置与之联合运行，为低温制冷剂循环的冷凝过程提供冷源，降低冷凝温制冷剂循环的冷凝过程提供冷源，降低冷凝温度和压力。即为复叠式制冷。度和压力。即为复叠式制冷。复叠式制冷循环复叠式制冷循环定义定义l由两个（或数个）不同制冷剂工作的单级由两个（或数个）不同制冷剂工作的单级（或多级）制冷系统组合而成。（或多级）制冷系统
23、组合而成。4.3.14.3.1复叠式制冷机循环系统复叠式制冷机循环系统图2-10 由两个单级系统组成的复叠式制冷机.swf由两个单级系统组成的复叠式制冷机由两个单级系统组成的复叠式制冷机制冷循环系统制冷循环系统T-s图图4.3.14.3.1复叠式制冷机循环系统复叠式制冷机循环系统2 2）系统、原理及组成）系统、原理及组成 复叠式压缩制冷系统通常由两个单级压缩制复叠式压缩制冷系统通常由两个单级压缩制冷循环组成，之间用蒸发冷凝器联系起来：冷循环组成，之间用蒸发冷凝器联系起来：高温部分：采用中温制冷剂，蒸发器为低温部分高温部分：采用中温制冷剂，蒸发器为低温部分 冷凝器中的制冷剂冷凝服务。冷凝器中的制
24、冷剂冷凝服务。低温部分：采用低温制冷剂，蒸发器为用户制冷。低温部分：采用低温制冷剂，蒸发器为用户制冷。4.3.14.3.1复叠式制冷机循环系统复叠式制冷机循环系统 3 3）介绍）介绍D-8D-8低温箱低温箱 中温制冷剂（中温制冷剂（R22R22），低温制冷剂（），低温制冷剂（R13R13）t t0 0=-85=-85-90,-90,增设气增设气-液热交换器，液热交换器，水冷却器、膨胀容器。水冷却器、膨胀容器。为获得为获得-110-110-140-140的低温采用三元的低温采用三元复叠式制冷机循环系统。复叠式制冷机循环系统。复叠式压缩装置结构组成 4.3.24.3.2复叠式制冷热力计算复叠式制冷
25、热力计算 要点：要点：对两部分循环分别计算对两部分循环分别计算 Q QG0G0=Q=QDKDK+Q+Q 中间温度的确定原则：中间温度的确定原则：0 max0 max或或各压缩各压缩 机压比大致相等，机压比大致相等，冷凝蒸发器的传热温差冷凝蒸发器的传热温差t=5t=51010。t=t=低温循环的低温循环的t tk k-高温循环的高温循环的t t0 0。tt过大使压比过大使压比。蒸发器的传热温差蒸发器的传热温差t5t5，不可逆损，不可逆损失少。失少。复叠式制冷循环应用中的一些问题复叠式制冷循环应用中的一些问题1 1停机后低温制冷剂的处理停机后低温制冷剂的处理 2.2.系统的起动系统的起动 3 3温
26、度范围的调节温度范围的调节 4.4.34.4.3复叠式制冷机的启动与膨胀容器复叠式制冷机的启动与膨胀容器4.4.34.4.3复叠式制冷机的启动与膨胀容器复叠式制冷机的启动与膨胀容器 启动时为防止低温级排压过高，先启动高温启动时为防止低温级排压过高，先启动高温级，使中间温度降低。级，使中间温度降低。小系统：小系统：设膨胀容器，接于低温级压缩机排气管处。设膨胀容器，接于低温级压缩机排气管处。防止低温级系统压力过高。启动时，若排压过高，防止低温级系统压力过高。启动时，若排压过高，排气旁通入膨胀容器。停机时，低温制冷剂全部排气旁通入膨胀容器。停机时，低温制冷剂全部气化，部分进入膨胀容器。气化，部分进入
27、膨胀容器。大系统：大系统：停机时高温级间歇运行或将低温制冷剂液化停机时高温级间歇运行或将低温制冷剂液化抽入钢瓶存放。抽入钢瓶存放。容积计算容积计算l制冷系统制冷剂流量制冷系统制冷剂流量q qm m.x.x+膨胀容器内制冷剂质量膨胀容器内制冷剂质量q qv v.p.p/v/vx x=制冷系统制冷系统+膨胀容器内制冷剂质量膨胀容器内制冷剂质量 （q qvx.tvx.t+q+qv.pv.p)/v)/vp p q qv.pv.p=(q=(qm.xm.xv vp p-q-qvx.tvx.t)v)vx x/（v vx xvvp p）m m3 3各种蒸气压缩式制冷方式的比较各种蒸气压缩式制冷方式的比较 制冷
28、循环制冷循环 使用原因使用原因应用温度范围应用温度范围制冷剂制冷剂单级压缩单级压缩 一般制冷一般制冷55-30-30 一种一种双级压缩双级压缩 压缩比过大压缩比过大-30-30-80-80 一种一种复叠压缩复叠压缩 制取低温制取低温-80-80 两种或两两种或两种以上种以上 思考题思考题1.1.为什么单级压缩制冷压缩机的压力比一般不应超过为什么单级压缩制冷压缩机的压力比一般不应超过8 8 1010？2.2.双级蒸气压缩式制冷循环的形式有哪些？双级蒸气压缩式制冷循环的形式有哪些？3.3.一级节流与二级节流相比有什么特点？中间不完全冷却与中一级节流与二级节流相比有什么特点？中间不完全冷却与中间完全冷却相比又有什么特点？间完全冷却相比又有什么特点？4.4.双级蒸气压缩式制冷系统制冷剂与循环形式如何选择？双级蒸气压缩式制冷系统制冷剂与循环形式如何选择？5.5.什么是复叠式制冷循环？为什么要采用复叠式制冷循环？什么是复叠式制冷循环？为什么要采用复叠式制冷循环？6.6.为什么利用复叠式制冷环系统可获取较低的蒸发温度？为什么利用复叠式制冷环系统可获取较低的蒸发温度？
